Эволюция звезд

Оглавление

Введение              3

Эволюция звезд и происхождение химических элементов              4

Проблема эволюции звезд и происхождения химических элементов              12

Заключение              18

Список использованной литературы              20

19

Введение

Самый фундаментальный вопрос, который стоит перед естествознанием, - это вопрос о происхождении природы, Вселенной, всего существующего. Как образовалась наша Вселенная, как развивалась, как эволюционировала, как появились химические элементы? Как они разбросаны по Вселенной?

Вселенная - это весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Часть Вселенной, охваченная астрономическими наблюдениями, называется Метагалактикой.

На сегодняшний день в природе открыто 116 химических элементов. Самыми распространенными элементами во Вселенной являются водород и гелий. Как они образовались? Как образовались другие элементы? В настоящее время общепризнанной теорией развития Вселенной является теория Большого взрыва. Автором этой теории является американский астрофизик русского происхождения Георгий Гамов. Согласно теории Большого взрыва, изначально Вселенная представляла некое сверхплотное образование (сингулярность пространства времени). Плотность вещества в этом образовании, по разным оценкам, превышала 100 кг/см3. Как образовалась эта сингулярность? Почему она взорвалась? На эти вопросы естественные науки не имеют сегодня ответов и вряд ли они будут получены в ближайшее время. Скорее всего, ответить на эти вопросы принципиально невозможно. Но что же известно более или менее достоверно? Рассмотрим же основные концепции эволюции звезд и происхождения химических элементов.

Эволюция звезд и происхождение химических элементов

Во-первых, Вселенная образовалась не ранее 10 млрд. лет и не позднее 20 млрд. лет тому назад. Вероятнее всего, Большой Взрыв произошел примерно 15 млрд. лет тому назад. Во-вторых, вся дальнейшая эволюция Вселенной достаточно хорошо описывается в рамках существующего естественнонаучного знания, согласуется с экспериментальными данными по структуре и состоянию наблюдаемой нами части Вселенной. В первоначальный момент времени после Большого взрыва (t =0) Вселенная представляла огромный огненный шар гигантской плотности, заполненный электромагнитным излучением и имеющий крайне высокую температуру. Начиная с момента времени «нуль», шар начал расширяться и охлаждался с течением времени по закону

где Т - температура в мегаэлектроновольтах, А - некоторая постоянная величина, t- время (возраст Вселенной) в секундах[1].

Согласно приведенной формуле, в момент времени t1=10-4 с температура Вселенной была примерно Т=1012 К (100 МэВ), а в момент времени t2 =1c - Т=1010 К (1 МэВ). При охлаждении происходило образование всех типов элементарных частиц. Почти все элементарные частицы, имеющие время жизни Т<1с, образовались к моменту времени t2 = lc, после распадов элементарных частиц расширяющееся первичное облако (t2=l с) было наполнено электронами, протонами, нейтрино и нейтронами. Затем, при еще большем охлаждении (Т≈107К), начались реакции цикла водородного горения, т. е. реакции термоядерного синтеза с участием изотопов водорода, в результате которого образовались ядра гелия.

Нижние цифры у химических символов означают электрический заряд (в элементарных зарядах), верхние - массу ядер (в атомных единицах массы)[2].

С участием нейтронов происходили ядерные реакции второй цепочки реакций ядерного синтеза - цикла нейтронного горения, которые продолжались при значительно более низких температурах, чем реакции цикла водородного горения

Это реакции с участием элементарных частиц протонов и нейтронов, в результате которых образовались изотопы водорода дейтерий и тритий, а также изотопы гелия и другие частицы типа нейтрино, антинейтрино и гамма-квантов (у). Таким образом, первоначально образовался газ, состоящий в основном из ядер и изотопов водорода и гелия (23Не, 24Не) В таком первичном газе (до начала образования звезд) было примерно 30% Не и 70% изотопов водорода Эти расчеты хорошо согласуются с экспериментальными данными по распространённости этих изотопов во Вселенной в наше время.

Распространяющийся огненный шар был неоднороден по плотности. Очевидно, существовали флуктуации плотности в плазменной структуре. Участки с большой плотностью стали зародышами первых звёзд - протозвёзд. Под действием сил гравитации протозвезды собирали вокруг себя дополнительное количество газа По мере того, как начинала образовываться «протозвезда», она все сильнее и сильнее сжималась силами собственного гравитационного притяжения, температура в центре протозвезды достигала Т ≈ 107 К, а плотность - р ≈105 кг/м3, и вновь начинался цикл водородного горения:

затем «включились» реакции термоядерного синтеза с образованием более тяжелых химических элементов, типа бериллия и лития 37Li

Самое важное в реакции термоядерного синтеза заключается в том, что они экзоэнергетические, так как в них выделяется тепло - энергия, необходимая для осуществления других реакций термоядерного синтеза[3].

Реакции этого цикла идут в звёздах, имеющих запас водорода, то есть в тех, в которых водород ещё полностью не «выгорел». Эти звёзды относятся к типу звёзд так называемой главной последовательности, к ним, в частности, относится и наше Солнце. По мере выгорания водорода в звезде реакции водородного цикла в центре звёзды прекращаются, там остаётся один гелий, а водород (более легкий газ) находится в тонком слое, окружающем шар, здесь ещё идут реакции водородного цикла. Размеры внешнего шарового слоя при этом увеличиваются. В конце концов, диаметр звезды увеличивается, температура и давление в ней понижаются настолько, что и реакции водородного цикла практически прекращаются. В этом случае энергия излучения звёзд мала, поэтому силы гравитации сжимают звезду[4].

Вследствие сжатия звезды температура и плотность вещества в её центре возрастает за счет разогрева центральной части, газовое облако на периферии звезды принимает еще большие размеры. За счет больших размеров охлаждение верхних слоев звезды будет значительным, поэтому изменится цвет звезды, и она превратится из ярко желтой в красного гиганта или сверхгиганта.

По мере сжатия центральной части красного гиганта температура возрастет до Т≈108 К, а плотность вещества достигнет р≈108 кг/м3. В этот момент ядра гелия в центре звезды начнут сливаться друг с другом в цепочке ядерных реакций и начнутся реакции цикла гелиевого горения следующего типа:

В результате этих реакций в недрах звезд появляются новые химические изотопы углерода (126С), кислорода (168O), неона (2010Ne).

В реакциях цикла гелиевого горения лишь небольшая часть массы гелия ~0,1% преобразуется в энергию. Но этой энергии оказывается достаточно, чтобы препятствовать гравитационному коллапсу звезды, в результате которого звезда может превратиться в космический объект другого типа - черную дыру (радиус гравитационного поля для Земли 89 см). Вместе с тем, хотя гравитационный коллапс, таким образом, предотвращается, красные гиганты остаются нестабильными в течение длительного времени. Нестабильная звезда в этой фазе может выбросить из себя большое количество газа, состоящего из водорода, гелия, углерода, кислорода, неона.

Этот выброс газа (облако газа) может стать зародышем новой звезды или планетной системы. Когда вследствие гравитационного сжатия температура и плотность звезды возрастут настолько, то в них могут начаться реакции термоядерного синтеза побочного CNO-цикла, в которой водород будет превращаться в гелий. Схема реакций CNO-цикла выглядит следующим образом:

Таким образом, в реакциях CNO-цикла образуются изотопы более тяжелых химических элементов (по сравнению с водородом и гелием) - азота (147N), кислорода (168О), фтора (179F). То есть звезды являются своеобразными химическими реакторами, в которых идет процесс образования практически всех известных в природе химических элементов. Коротко подводя итоги вышесказанному, можно отметить следующее[5].

- Самыми первыми химическими элементами, образовавшимися после Большого взрыва, были изотопы водорода и гелия.

- Водород и его изотопы (протий, дейтерий и тритий) в звездах первого поколения («протозвездах») после первичного синтеза ядер превратились в гелий.

- Из гелия в «красных гигантах» образовались углерод и кислород.

- Газы, выброшенные из «красных гигантов» при взрывных процессах в них образовали звезды второго поколения, которые уже содержали в себе водород, гелий, углерод, азот, неон.

- В звездах второго поколения идут реакции побочного CNO цикла, в результате которых образуются изотопы 136С, 147Nи 157Nи 179F

- Если со звездой второго поколения в процессе ее эволюции случится взрыв, то образовавшиеся в ней ядра химических элементов вновь выбрасываются в межзвездное пространство, а из выброшенных газов образуются звезды третьего поколения и т. д.

Возникает вопрос: если звезды образовались примерно в одно и то же время, почему они находятся на разных стадиях эволюции? Все дело заключается в массе звезд. В более массивных звездах все эволюционные процессы протекают гораздо быстрее, чем в мелких звездах. Кроме того, образование звезд и звездных систем идет непрерывно, т. е. и в настоящее время образуются звезды и звездных системы. Свидетельство тому - регистрируемые время от времени вспышки новых и «сверхновых» звезд[6].

Расчеты Г. Гамова показали, что Вселенная в своей эволюции проходит определенные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур. Схематично периоды развития Вселенной поясняет схема, изображенная на рис.1.

Рис. 1. Периоды эволюции Вселенной

Однако современная наука допускает, что Вселенная могла образоваться из вакуума, т. е. существует иной сценарий ее зарождения (инфляционная модель). В этой модели начальное состояние Вселенной является вакуумным. По представлениям классической физики, вакуум - это пространство, в котором отсутствуют реальные частицы. Раз нет реальных частиц, то пространство пусто, и в нем не может содержаться энергия, даже минимальная, т. е. это абсолютная пустота.

Однако отсутствие вещества не означает отсутствие поля. Современная наука трактует вакуум как состояние материи с наименьшей энергией при отсутствии вещества. (Применительно к теории поля принцип неопределенности Гейзенберга утверждает невозможность одновременного точечного определения напряженности поля и числа частиц. Раз число частиц равно нулю, то напряженность поля не может равняться нулю, иначе оба параметра будут известны, и принцип неопределенности будет нарушен. Напряженность поля в вакууме может существовать лишь в форме флуктуационных колебаний около нулевого значения). Физический вакуум - это наинизшее энергетическое состояние всех полей, форма материи, лишенная вещества и излучения, но характеризующаяся активностью, возникновением и уничтожением виртуальных частиц и способностью находится в одном из многих состояний с сильно различающимися энергиями и давлениями, причем эти давления отрицательные. В соответствии с корпускулярно-волновым дуализмом, колебания полей обязаны порождать частицы. Квантовые эффекты могут на очень короткое время приостанавливать действие закона сохранения энергии. В течение этого промежутка времени энергия может быть использована на «рождение частиц». Такие переходы называют виртуальными. Виртуальные переходы в вакууме соответствуют рождению виртуальных частиц, время жизни которых ~ 10-30 с. При определенных условиях они способны превращаться в реальные, то есть поле способно трансформироваться в вещество. Некоторые ученые полагают, что физический вакуум и есть базовая форма материи, которая в определенных, неизвестных нам условиях способна порождать стабильные элементарные частицы и легкие атомы, давая начало той материи, которая воспринимается нашими органами чувств[7].

Возбужденное состояние такого вакуума называют «ложным» вакуумом, который способен создать гигантскую силу космического отталкивания. Давление внутри вакуума не положительно, а отрицательно, это приводит к тому, что гравитационные силы становятся силами отталкивания. И под действием сил отталкивания вакуум невообразимо быстро расширяется, приблизительно за 10-30 с его размеры увеличиваются в 1030 раз. Раздувание Вселенной происходит молниеносно. В результате расширения сам вакуум охлаждается, а заключенная в нем гигантская энергия выделяется в виде излучения Для вакуума с отрицательным давлением характерны флуктуации, именно они и являются начальными состояниями будущих галактик и их скоплений. Излучение в результате своего расширения охлаждается, что приводит к возникновению элементарных частиц, вещества, атомов водорода и т. д. Благодаря полученному первоначальному импульсу, приобретенному в процессе инфляции, расширение Вселенной продолжается, но неуклонно замедляется. Постепенное замедление расширения Вселенной это единственный след, который сохранился до настоящего времени от начальных моментов Большого взрыва.

Различие между этапами эволюции Вселенной в инфляционной модели и модели Большого взрыва касается только первоначального этапа порядка 10-30 с, далее между этими моделями принципиальных расхождений в понимании этапов космической эволюции нет. Различия в объяснении механизмов космической эволюции связаны с расхождением в мировоззренческих установках.

Проблема эволюции звезд и происхождения химических элементов

Как бы не решался вопрос о многообразии космологических моделей, очевидно, что наша Вселенная расширяется, эволюционирует. Согласно теоретическим расчетам Ж. Леметра, радиус Вселенной в первоначальном состоянии был 10-12см, что близко по размерам к радиусу электрона, а ее плотность составляла 1096г/см3. В сингулярном состоянии Вселенная представляла собой микрообъект ничтожно малых размеров.

От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва. Начиная с конца 40-х гг. нашего века все большее внимание в космологии привлекает физика процессов на разных этапах космологического расширения. Г. А. Гамов разработал модель горячей Вселенной, рассматривая ядерные реакции, протекавшие в самом начале расширения Вселенной, и назвал ее «космологией Большого взрыва».

Ретроспективные расчеты определяют возраст Вселенной в 13 - 20 млрд лет. Г. А. Гамов предположил, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Его расчеты показали, что Вселенная в своей эволюции проходит определенные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур. В современной космологии для наглядности начальную стадию эволюции Вселенной делят на «эры»[8].

Эра адронов (тяжелых частиц, вступающих в сильные взаимодействия). Продолжительность эры 0,0001 с, температура 1012 градусов по Кельвину, плотность 1014г/см3. В конце эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но остается некоторое количество протонов, гиперонов, мезонов.

Эра лептонов (легких частиц, вступающих в электромагнитное взаимодействие). Продолжительность эры 10 с, температура 1010 градусов по Кельвину, плотность 104г/см3. Основную роль играют легкие частицы, принимающие участие в реакциях между протонами и нейтронами.

Фотонная эра. Продолжительность 1 млн лет. Основная доля массы - энергии Вселенной - приходится на фотоны. К концу эры температура падает с 1010 до 3000 градусов по Кельвину, плотность - с 104 г/см3 до 1021 г/см3. Главную роль играет излучение, которое в конце эры отделяется от вещества.

Звездная эра наступает через 1 млн лет после зарождения Вселенной. В звездную эру начинается процесс образования протозвезд и протогалактик.

Затем разворачивается грандиозная картина образования структуры Метагалактики.

В современной космологии наряду с гипотезой Большого взрыва весьма популярна инфляционная модель Вселенной, в которой рассматривается творение Вселенной. Идея творения имеет очень сложное обоснование и связана с квантовой космологией. В этой модели описывается эволюция Вселенной начиная с момента 1045 с после начала расширения.

Сторонники инфляционной модели видят соответствие между этапами космической эволюции и этапами творения мира, описанными в книге Бытия в Библии[9].

В соответствии с инфляционной гипотезой космическая эволюция в ранней Вселенной проходит ряд этапов.

Начало Вселенной определяется физиками-теоретиками как состояние квантовой супергравитации с радиусом Вселенной в 10-50 см (для сравнения: размер атома определяется как 10-8 см, а размер атомного ядра Ю--13 см). Основные события в ранней Вселенной разыгрывались за ничтожно малый промежуток времени от 10-45 с до 10-30 с.

Стадия инфляции. В результате квантового скачка Вселенная перешла в состояние возбужденного вакуума и в отсутствие в ней вещества и излучения интенсивно расширялась по экспоненциальному закону. В этот период создавалось само пространство и время Вселенной. За период инфляционной стадии продолжительностью 10-34с. Вселенная раздулась от невообразимо малых квантовых размеров 10-33 см до невообразимо больших 101000000см, что на много порядков превосходит размер наблюдаемой Вселенной - 1028 см. Весь этот первоначальный период во Вселенной не было ни вещества, ни излучения.

Переход от инфляционной стадии к фотонной. Состояние ложного вакуума распалось, высвободившаяся энергия пошла на рождение тяжелых частиц и античастиц, которые, проаннигилировав, дали мощную вспышку излучения (света), осветившего космос.

Этап отделения вещества от излучения: оставшееся после аннигиляции вещество стало прозрачным для излучения, контакт между веществом и излучением пропал. Отделившееся от вещества излучение и составляет современный реликтовый фон, теоретически предсказанный Г. А. Гамовым и экспериментально обнаруженный в 1965 г.

В дальнейшем развитие Вселенной шло в направлении от максимально простого однородного состояния к созданию все более сложных структур - атомов (первоначально атомов водорода), галактик, звезд, планет, синтезу тяжелых элементов в недрах звезд, в том числе и необходимых для создания жизни, возникновению жизни и как венца творения - человека[10].

Различие между этапами эволюции Вселенной в инфляционной модели и модели Большого взрыва касается только первоначального этапа порядка 10-30 с, далее между этими моделями принципиальных расхождений в понимании этапов космической эволюции нет. Различия в объяснении механизмов космической эволюции связаны с расхождением мировоззренческих установок. Уже с самого начала появления идеи расширяющейся и эволюционирующей Вселенной вокруг нее началась борьба.

Первой стала проблема начала и конца времени существования Вселенной, признание которой противоречило материалистическим утверждениям о вечности, несотворимости и неуничтожимости и т.п. времени и пространства.

Каковы же естественно-научные обоснования начала и конца времени существования Вселенной?

Таким обоснованием является доказанная в 1965 г. американскими физиками-теоретиками Пенроузом и С. Хокингом теорема, согласно которой в любой модели Вселенной с расширением обязательно должна быть сингулярность - обрыв линий времени в прошлом, что можно понимать как начало времени. Это же верно и для ситуации, когда расширение сменится на сжатие - тогда возникнет обрыв линий времени в будущем - конец времени. Причем точка начала сжатия интерпретируется физиком Ф. Типлером как конец времени - Великий Сток, куда стекаются не только галактики, но и сами «события» всего прошлого Вселенной.

Вторая проблема связана с творением мира из ничего. Материалисты отвергали возможность творения, поскольку вакуум - это не ничего, а вид материи. Да, это так, вакуум представляет собой особый вид материи. Но дело в том, что у А. А. Фридмана математически момент начала расширения пространства выводится не со сверхмалым, а с нулевым объемом. В своей популярной книге «Мир как пространство и время», изданной в 1923 г., он говорит о возможности «сотворения мира из ничего». Попытку разрешить одну из основных проблем мироздания - возникновения всего из ничего - предприняли в 80-х гг. американский физик А. Гут и советский физик А. Линде. Энергию Вселенной, которая сохраняется, разделили на гравитационную и негравитационную части, имеющие разные знаки. И тогда полная энергия Вселенной будет равна нулю. Физики считают, что если предсказываемое несохранение барионного числа подтвердится, то тогда ни один из законов сохранения не будет препятствовать рождению Вселенной из ничего. Пока же эту модель с помощью знаний и фантазии можно рассчитывать на компьютере, а вопрос остается открытым.

Самая большая трудность для ученых возникает при объяснении причин космической эволюции. Если отбросить частности, то можно выделить две основные концепции, объясняющие эволюцию Вселенной: концепцию самоорганизации и концепцию креационизма[11].

Для концепции самоорганизации материальная Вселенная является единственной реальностью, и никакой другой реальности помимо нее не существует. Эволюция Вселенной описывается в терминах самоорганизации: идет самопроизвольное упорядочивание систем в направлении становления все более сложных структур. Динамичный хаос порождает порядок. Вопрос о цели космической эволюции в рамках концепции самоорганизации ставиться не может.

В рамках концепции креационизма, т.е. творения, эволюция Вселенной связывается с реализацией программы, определяемой реальностью более высокого порядка, чем материальный мир. Сторонники креационизма обращают внимание на существование во Вселенной направленного номогенца - развития от простых систем ко все более сложным и информационно емким, в ходе которого создавались условия для возникновения жизни и человека. В качестве дополнительного аргумента привлекается антропный принцип, сформулированный английскими астрофизиками Б. Карром и Риссом.

Суть антропного принципа заключается в том, что существование той Вселенной, в которой мы живем, зависит от численных значений фундаментальных физических констант - постоянной Планка, постоянной гравитации, констант взаимодействия и т.д.

Численные значения этих постоянных определяют основные особенности Вселенной, размеры атомов, атомных ядер, планет, звезд, плотность вещества и время жизни Вселенной. Если бы эти значения отличались от существующих хотя бы на ничтожно малую величину, то не только бы жизнь была невозможной, но и сама Вселенная как сложная упорядоченная структура была бы невозможна. Отсюда делается вывод, что физическая структура Вселенной запрограммирована и направлена к появлению жизни. Конечная цель космической эволюции - появление человека во Вселенной в соответствии с замыслами Творца[12].

Среди современных физиков-теоретиков имеются сторонники как концепции самоорганизации, так и концепции креационизма. Последние признают, что развитие фундаментальной теоретической физики делает насущной необходимостью разработку единой научно-теистической картины мира, синтезирующей все достижения в области знания и веры.

Заключение

В настоящее время установлено, что звезды и звездные скопления имеют разный возраст - от 1010 лет (шаровые звездные скопления) до 106 лет для самых молодых (рассеянные звездные скопления и звездные ассоциации). В этой картине еще много неясного, многое подлежит уточнению, однако в главных чертах она представляется достаточно обоснованной. В общем виде эволюция звезд проходит несколько стадий[13]:

      возникновение звезды в результате конденсации межзвездных пыли и газа, богатого водородом;

      стадия термоядерных реакций превращения водорода в гелий в центре звезды (наиболее длительная);

      при исчерпании в центре водорода ядро сжимается и нагревается, а оболочка сильно расширяется; даже при увеличении светимости температура поверхности падает - звезда становится красным гигантом;

      термоядерное загорание гелия и более тяжелых элементов в ядре звезды, сопряженное в ряде случаев со сбросом водородной оболочки и образованием так называемой планетарной туманности;

      остывание остатка звезды, переход в стадию белого карлика.

В зависимости от начальной массы, возможно, и от момента вращения звезды могут завершить свою эволюцию взрывом сверхновой (с остатком в виде нейтронной звезды либо без остатка). Согласно общей теории относительности, наиболее массивные звезды, сохранившие свою массу вплоть до исчерпания термоядерного горючего, должны коллапсировать в состояние черной дыры.

Соотношение общего количества звездного и межзвездного вещества в галактиках со временем убывает, поскольку из межзвездной диффузной (рассеянной) материи образуются звезды, которые в конце своего эволюционного пути возвращают в межзвездное пространство только часть вещества; некоторая его часть остается в белых карликах и в нейтронных звездах. Перерабатываясь в звездных недрах, вещество галактик постепенно изменяет химический состав, обогащаясь гелием и тяжелыми элементами. Считается, что галактики образовались из газовых облаков, которые состояли главным образом из водорода. Возможно, эти облака содержали только водород, а гелий и тяжелые элементы появились в результате термоядерных реакций внутри звезд. Однако самые тяжелые ядра (уран и торий) не могли образоваться в этом процессе. Предполагается, что они возникают при вспышках сверхновых звезд в результате быстрого их сжатия (коллапса) и последующего взрыва.

Список использованной литературы

1.      Бондарев В.П. Концепции современного естествознания. М., 2003.

2.      Гриб А.А. Большой взрыв: творение или происхождение? // Взаимосвязь физической и религиозной картин мира. - Кострома: Изд-во МИИЦАОСТ, 1996.  С. 153 - 166.

3.      Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Новосибирск: изд-во НГПУ, 1997.

4.      Идлис Г.М. От антропного принципа к разумному первоначалу // Глобальный эволюционизм. - М.: Институт философии РАН, 1994. С. 124.

5.      Лавриненко В.Н. Концепции современного естествознания. М., 2002.

6.      Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. - М.: Юнити, 2001

7.      Слинкин С.В. Основы естествознания. - Тобольск, 2003.

19